1 引言
随着时代的发展，我国城市化的进程不断加快。人们对建筑的实用性、美观性、科学性提出了新的要求，传统的重力排水方式逐渐难以满足现代化大型屋面的排水要求，而利用虹吸原理的压力流排水系统近年来成为解决大型屋面排水的有效途径之一。
进入21世 纪以来，全球经济飞速发展，人们在生活水平大跨步提高的同时，对绿色环保提出了更高的要求，建设一个环保舒适的居住及工作环境成为城市发展的重点。科技正 是通过需求而推动，真空排水系统正是在这种背景下应运而生，其摆脱了建筑史上排水重力坡度的局限性，具有环保、节水、低成本等诸多优点，使得在施工过程中 管道的铺设更具灵活性，深受个性化设计的青睐。
2 基本原理
2.1 虹吸式屋面雨水排水系统的工作原理
压力流(虹吸)排水系统由国外水力学专家在20世纪60年代末创始，至今在世界各地各种类型屋面排水的设计和施工中广泛应用。压力流排水系统部件组成与重力流排水系统基本相似，不同的是系统采用压力流雨水斗。雨水斗在其额定设计流量时处于淹没泄流排水状态，不渗气，设计排水量大。
该系统的主要工作原理是充分利用屋面雨水斗与排出管之间的几何高差，当降雨强度达到设计值时，管道内呈满流状态，雨水从水平管(悬吊管)转入立管跌落时管道内形成负压，产生虹吸作用，可快速排除屋面雨水。采用压力流的屋面排水系统，在降雨过程中相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中排水，经屋面内排水系统从排出管排出，管道呈充满的压力流状态。故压力流排水系统亦称之为虹吸流排水系统或满管流排水系统。
2.2 真空排水系统基本原理与组成
真空排水系统的基本原理是以负压为驱动力，对污水进行抽吸与输送。通常的负压工作压力为-55 ~-65kPa。
真空排水系统由三个基本单元构成:污水收集单元、真空管道单元和真空站单元。污水收集单元包括污水收集器具和真空阀，污水收集器具包括地漏、洗手盆、洗浴盆或真空便器等，通过开启真空阀，污水收集器具收集的污水被抽吸到真空管道中。 真空站单元主要由真空收集罐、真空泵、污水泵及自控等部分组成，真空泵在真空收集罐中产生并维持所设定的真空。真空管道连通污水收集单元与真空收集罐，污 水经真空管道的传输进入真空收集罐，罐内收集的污水最后经污水泵排出。真空排水应用于污水的源分离时，高浓度污水在不与其他低污染负荷的废水呢合之前，通 过真空系统被收集和输运。典型的应用是通过真空便器，将生活污水中主要的污染物和营养盐来源??粪与尿，通过真空便器单独收集，同时，利用真空的抽吸力达到便器的高效节水。
3 重力排水、压力排水和真空排水系统比较
3.1 重力流排水系统
重力流排水系统由于是按非满流无压状态设计的，是否能迅速排除雨水依赖于排水横管的坡度。所以具有如下特征:
(1) 水流夹带空气进入排水系统，使整个系统呈气液两相流。空气占据了大约1/3的管道空间.排水管的管径较大；
(2) 按规范要求，重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设汁，其充满度不大于0.8。管内流速不宜小于0.75m/s。
且排水坡度不小于0.5%，因此会占据较多的建筑空间；
(3) 由于单管连接的雨水斗不宜过多，因此系统使用立管的数量也较多；
(4) 普通雨水斗排水数量较小，因此系统使用雨水斗数量相对较多，增加了屋面荷载;
(5) 适用性和灵活性较差；
(6) 连接各立管的埋地管数量多，地下管工作量较大；
(7) 采用同样管材情况下，整个系统工程造价较高。
3.2 压力流(虹吸)排水系统
压力流排水系统是按满流有压状态设计，是多斗压力流排水。相对于重力流排水系统具有如下优势特征:
(1) 降雨初期系统为重力排水，随着雨量的增加，虹吸雨水斗利用空气挡板阻止空气进入系统形成真空。当管中的雨水呈压力流状态时，形成虹吸现象，不断进行排水。最终雨水管内达到满流状态;
(2) 在降雨过程中，由于连续不断的虹吸作用，整个系统得以快速排放屋面雨水;
(3) 排水系统为单相满管流，在相同的条件下，同样的屋面汇水面积，可减少管道直径和数量;
(4) 虹吸排水系统管道均按满流有压状态设计，雨水悬吊管可做到元坡度敷设，有利于建筑空间的充分利用。当产生虹吸作用时，水流流速极高，有较强的自净能力;
(5) 由于排水管道减少，室外雨水检查井数量亦相应减少;
(6) 减少下水道连接管和埋地管，地下部分工作量少;
(7) 采用同样排水管材，压力流比重力流节约工程造价。
3.3 真空排水系统
为了保证卫生洁具及下水道的冲洗效果，可将真空技术运用于排水工程，用空气代替大部分水，依靠真空负压产生的高速
气水混合物，快速将洁具内的污水、污物冲吸干净，达到节约用水、排走污浊空气的效果。一套完整的真空排水系统包括:带真空阀和特制吸水装置的洁具、密封管道、真空收集容器、真空泵、控制设备及管道等。真空泵在排水管道内产生40 - 50kPa的负压，将污水抽吸到收集容器内，再由污水泵将收集的水排到市政下水道。在各类建筑中采用真空技术，平均节水超过40%。若在办公楼中使用，节水率可超过70%。
4 真空便器
4.1 真空便器的形式及安装
真空便器与传统便器排污的根本区别在于，传统便器排水的驱动力主要是水的静压，而真空便器排污的驱动力是负压，后者的驱动力是前者的几十倍，这也是真空便器能够有效节水的主要原因。真空便器分为粪尿分离式和混合式。
真空便器的安装基本与传统便器相同，且由于负压的抽吸作用，真空管道走向更灵活。
真空坐便器的真空阀可以安装在便器的后部，也可以安装在夹墙中。真空蹲便器的真空间可以安装在蹲便器后部的一个安装槽或夹墙中。图1~图3为各种真空便器的安装形式及工作示意图。
4.3 真空便器的节水性能
真空便器与真空排水应用于生活污水源分离不仅解决了高浓度粪尿污水的单独收集，同时还能显著减少冲厕用水量。以下以一个5000人口当量的城市区域的冲厕耗水与废水组成进行计算分析。
计算中考虑4种情况:①传统便器，冲厕耗水10L;②常规的重力流节水便器，大便冲厕耗水6L、小便冲厕耗水3L;③真空便器，大便冲厕耗水1.2L，小便冲厕耗水0.6L;④粪尿分离真空便器，大便冲厕耗水1.2L，小便冲厕耗水0.1L。假设每人每天5次小便(共1 L)，1次大便(大便0.2L，小便0. 2L)，5000人口当量每天产生纯尿6 m3，粪便1 m3。比较结果汇总于表1。
与现行常规节水便器相比，粪尿分离真空便器冲厕耗水减少80% -90%，且产生的粪尿总量相应减少。生活污水中大部分有机物、绝大部分的氮磷来自人粪尿，人粪尿源头分离后的生活杂排水可以经济地处理成再生水，而单独收集的人粪尿由于浓度高、成份单一，更有利于处理与资源化利用。
5 压力排水和真空排水系统的实际运用
5.1 国家体育场
又称"鸟巢"。屋面总投影面积为77593m2，其固定屋面上表面的几何形状是由一个圆环曲面被椭圆柱切割出来而形成的马鞍形。屋面被不同层次的结构单元分成1302个大小不等的部分。根据降雨过程中屋面各部分发生的不同情况，将屋面分成6个大区域。再根据每个大区域的情况分别设计雨水排水系统。雨水排放系统设计为具有超过设计排水重现期能力的重力排水系统与虹吸排水系统相结合的方式，虹吸排水系统P =l0a，重力排水系统p=100a。经综合考虑，初步设计阶段雨水排水悬吊管管材采用不锈钢管。鸟巢屋面排水应用各类、各种规格管材总长度超过2.6万m，整个系统的运行重量2640t，概算投资1400万元。
5.2 上海南站
上海铁路南站作为适应21世纪需求的标志性建筑，根据建筑的功能，采用污、废合流排水系统，对每个集中点(如厕所、厨房、空调机房排水等)采用重力排水立管需要把地下一、二层污、废水汇集到集水池中，在设潜水排水泵提升至室外，但地下广场面积很大，集水池布置点分散，引向室外的排出口多，若使用传统重力排水，气味将是一个很难根本解决的问题，并且众多的透气管延出屋顶，影响整个建筑的美观。
该项目由上海华东建筑设计研究院总设计，通过采用真空卫生排水系统，南、北广场地下建筑内各设一套360型的一体化泵站，其真空泵站由真空收集罐、真空泵、污水泵及自控面板组成。真空管道和每个出水点连接，灵活绕开其他管道，接人真空泵站。在施工上，降低了难度和施工周期，同时，密闭的真空管道不会溢出难闻的污水气味，只需一根排气管伸出屋顶。
6 结语
应该看到，随着国内经济的快速发展及人们对建筑空间要求的不断提高，大跨度、大面积屋面的建筑物日益增多，以及虹吸雨水排放系统被国人接纳和认可，将来虹吸雨水排放系统将会越来越广泛的应用。
积 极推行节水型社会建设是当前和未来几年应该大力提倡的，从建筑给排水的角度来考虑，节水节能也是一种发展趋势。节水不是限制人用水，而是让人合理地用水， 高效率地用水。真空排水技术，作为一项节水技术，它的节水效果是显著的，生活污水中大部分有机物、绝大部分的氮磷来自人粪尿，采用真空便器将粪尿分离后， 尿液可作为中水水源，在粪便中投加木屑等有机物，从而达到生物降解的功效，生态环保。